automatizaça o de sistema de mediça o mu ltiplo de ensaio
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Instituto Superior de Engenharia do Porto
Instituto Politécnico do Porto
Automatizaça o de sistema de mediça o mu ltiplo de ensaio de
mano metros analo gicos
Joaquim Feliciano da Silva Ferreira
Relatório de Dissertação realizado no âmbito do
Mestrado em Engenharia de Instrumentação e Metrologia
Orientador: Prof. Dr. Joaquim Fernando Almeida Alves, ISEP
Co-orientador: Prof. Alexandre Lourenço, ISEP
<2015-11-01>
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Resumo
A dissertação em apreço resultou da necessidade em otimizar os recursos técnicos, mas
sobretudo humanos, afetos às verificações de instrumentos de medição, no âmbito do Controlo
Metrológico Legal. Estas verificações, realizadas nos termos do cumprimento das competências
outrora atribuídas à Direção de Serviços da Qualidade da então Direção Regional da Economia do
Norte, eram operacionalizadas pela Divisão da Qualidade e Licenciamento, na altura dirigida pelo
subscritor da presente tese, nomeadamente no que respeita aos ensaios efetuados, em laboratório, a
manómetros analógicos.
O objetivo principal do trabalho foi alcançado mediante o desenvolvimento de um
automatismo, materializado pela construção de um protótipo, cuja aplicação ao comparador de
pressão múltiplo, dantes em utilização, permitiria realizar a leitura da indicação de cada manómetro
analógico através de técnicas de processamento de imagem, função esta tradicionalmente efetuada
manualmente por um operador especializado.
As metodologias de comando, controlo e medição desse automatismo foram realizadas através
de um algoritmo implementado no software LabVIEW® da National Intruments, particularmente no
que respeita ao referido processamento das imagens adquiridas por uma câmara de vídeo USB. A
interface com o hardware foi concretizada recorrendo a um módulo de Aquisição de Dados
Multifuncional (DAQ) USB-6212, do mesmo fabricante.
Para o posicionamento horizontal e vertical da câmara de vídeo USB, recorreu-se a guias
lineares acionadas por motores de passo, sendo que estes dispositivos foram igualmente empregues
no acionamento do comparador de pressão.
Por último, procedeu-se à aquisição digital da leitura do padrão, recorrendo à respetiva
virtualização, bem como a uma aplicação desenvolvida neste projeto, designada appMAN,
destinada à gestão global do referido automatismo, nomeadamente no que se refere ao cálculo do
resultado da medição, erro e incerteza associada, e emissão dos respetivos documentos
comprovativos.
v
Abstract
This dissertation resulted from the need to optimize the technical and human resources
assigned to the measuring instruments verifications who are under the Legal Metrological Control.
These verifications, previously under the responsibility of the Direção de Serviços da Qualidade of
the Direção Regional da Economia do Norte, were conducted by the Divisão da Qualidade e
Licenciamento, at the time directed by the subscriber of this thesis, particularly the tests carried out
in the laboratory to analog gauges.
The main objective of the work was achieved by the development of an instrumentation
system, materialized by a prototype, that allows, through image processing techniques, to
automatically read the indication of several analog gauges, inserted in a multiple pressure system.
This function is traditionally manually performed by a skilled operator.
The implemented methodologies, such as automatic control and measurement, were performed
using an algorithm implemented in the National Instruments LabVIEW® software, particularly the
processing of the images acquired by an USB video camera. The interface with the hardware was
implemented using a multifunction data acquisition module (DAQ) USB-6212, from the same
manufacturer.
The developed automated xy positioning system for the video camera, uses mechanical
guides driven by step motors. Similar mechanisms were employed to actuate the pressure
comparator.
The required value of the measurement standard was also acquired to the system, using a DAQ
module, as well as an application, developed in this project, designated appMAN. This application
allows for the management of all process, namely the calculation of the measurement result, error
and associated uncertainty, and printing the relevant supporting documents.
vii
Agradecimentos
Antes de mais, gostaria de agradecer à minha família, em especial à minha mulher e às minhas
filhas, pela compreensão e tolerância relativas a todas as horas que não lhes pude dedicar, à minha
mãe, irmão e irmãs, pelo reconhecimento e incentivo ao meu percurso profissional, mas, em
particular, ao meu pai e ao meu sogro, cujas referências me norteiam e a satisfação que transmitem,
desde onde se encontram, muito me orgulha e enobrece.
Depois, manifestar a minha gratidão às pessoas que integraram a equipa da Direção de Serviços
da Qualidade da então Direção Regional da Economia do Norte, cujas competências eram
operacionalizadas pela Divisão da Qualidade e Licenciamento, seja no desempenho de funções
enquanto dirigentes, técnicos superiores, assistentes técnicos ou assistentes operacionais, de quem
registo e admiro o profissionalismo e companheirismo verdadeiramente ímpares, mas sobretudo a
enorme dedicação à causa pública, nem sempre reconhecida, não obstante muitas vezes efetivar-se
através dos maiores sacrifícios pessoais. Gostaria de relevar em particular o papel do então Diretor
Regional da Economia do Norte, Dr. Eduardo Viana, um facilitador inato, cuja convivência
profissional e pessoal registo com grande apreço e amizade.
Deixar também uma palavra de agradecimento ao Instituto Superior de Engenharia do Porto,
nomeadamente ao Departamento de Física, pela parceria e oportunidade em concretizar a estratégia
de validação de competências então em curso na Divisão que dirigia, considerada desde logo
determinante no que respeita ao cumprimento das respetivas competências de regulação no âmbito
da metrologia legal. Gostaria igualmente de destacar, numa fase preparatória à realização do
presente projeto, a importância do conteúdo programático, sustentado pelos respetivos docentes,
das unidades curriculares de Metrologia por Imagem METIM e Metrologia e Open Source
METOS, mas, em particular, a orientação proporcionada pelo Professor Doutor Joaquim Alves,
bem como o empenho do Mestre Alexandre Lourenço durante a fase inicial de desenvolvimento do
protótipo, altura em que co-orientava esta tese, designadamente na realização das peças projetadas
tendo em vista a assemblagem das duas guias lineares reconvertidas a partir de dois scanners, cuja
impressão em 3D apenas efetivou-se através da inestimável colaboração da empresa Xarevision SA,
cujo quadro integra.
Por último, mas não menos importante, gostaria de expressar o meu agradecimento a todos os
colegas de curso, em especial ao meu amigo João Menezes, companheiro de muitas jornadas
profissionais e académicas, bem como aos que, de algum modo, colaboraram na realização do
projeto que suporta a presente dissertação. Em particular, registo e agradeço a igualmente
inestimável colaboração do colega Bruno Bronze, bem como da instituição que representa, CINFU
– Centro de Formação Profissional da Indústria da Fundição, no que respeita à materialização da
solução relativa à montagem do motor de passo destinado ao acionamento do comparador de
pressão, mas, principalmente, na concretização do suporte definitivo da câmara, através da
execução de um varão em aço com ponta roscada, sem o qual a estabilidade necessária à aquisição
das imagens não seria possível.
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Índice
1 Conteúdo
1CAPÍTULO I ............................................................................................................................................ 1
Introdução ............................................................................................................................................... 1
1.1 Objetivos e Motivação .......................................................................................................... 1
1.2 Organização do Relatório ..................................................................................................... 3
2CAPÍTULO II .......................................................................................................................................... 4
‘Estado da Arte’ ...................................................................................................................................... 4
2.1 Modo de proceder ao nível metrológico ............................................................................ 5
2.2 Visão artificial aplicada à metrologia ................................................................................... 6
2.2.1 Visão artificial por LabVIEW® .................................................................................. 9
3CAPÍTULO III ...................................................................................................................................... 10
Fontes de Erro e Incerteza ................................................................................................................. 10
3.1 Modo de proceder................................................................................................................ 10
3.2 Método por comparação ..................................................................................................... 11
3.2.1 Modelo matemático .................................................................................................... 11
3.2.2 Cálculo do Erro ........................................................................................................... 12
3.2.3 Cálculo da incerteza combinada uC(y) ..................................................................... 12
4CAPÍTULO IV ...................................................................................................................................... 15
Solução Desenvolvida ......................................................................................................................... 15
4.1 Objetivo ................................................................................................................................. 15
4.2 Aspetos preliminares ........................................................................................................... 16
4.3 Leitura dos manómetros analógicos ................................................................................. 19
4.4 Acionamento dos motores de passo ................................................................................. 20
4.5 Implementação dos dispositivos de fim de curso ........................................................... 22
4.6 Leitura da indicação do transdutor padrão ...................................................................... 23
4.6.1 Como obter tensão contínua negativa ..................................................................... 23
4.6.2 Unidade de leitura virtual ........................................................................................... 24
4.7 Modelo Global...................................................................................................................... 25
4.7.1 Funcionamento do protótipo ................................................................................... 26
5CAPÍTULO V ........................................................................................................................................ 30
Resultados obtidos com a solução .................................................................................................... 30
x
6CAPÍTULO VI ...................................................................................................................................... 36
Conclusões ............................................................................................................................................ 36
6.1 Conclusões ............................................................................................................................ 36
6.2 Trabalho Futuro ................................................................................................................... 38
xi
Índice de imagens
Figura 2.1 - Comparador de pressão múltiplo então em utilização no LABP do LRM da extinta
DRE Norte, desenvolvido e concebido internamente ................................................................................ 5
Figura 2.2 - Imagem protótipo e respetiva referenciação no espaço cartesiano, cujas
coordenadas são designadas em pixel, segundo o código Python(x,y) ...................................................... 6
Figura 2.3 - Suavização através de um filtro de mediana da imagem transformada em tons de
cinzento (à esquerda), seguida do procedimento de crescimento de região (à direita) .......................... 7
Figura 2.4 - Contorno da imagem e do manómetro (a verde), cujo diâmetro é 333, bem como
do respetivo centroide (a vermelho), com as coordenadas (315, 252) ...................................................... 7
Figura 2.5 - Sucessivamente: transformada polar (à esquerda), binarização (ao centro) e
operação morfológica erode (à direita) ............................................................................................................. 8
Figura 2.6 - Contorno do ponteiro (a azul), bem como do respetivo centroide (a vermelho),
com as coordenadas (357, 267), destacado e ampliado na imagem da direita ......................................... 9
Figura 3.1 – Modelo Geral do Sistema de Medição utilizado na verificação/calibração de
Instrumentos de Medição de Pressão .......................................................................................................... 11
Figura 4.1 – Arquitetura do protótipo .................................................................................................. 16
Figura 4.2 – Guia linear; Motor de passo; Comparador de pressão ................................................. 17
Figura 4.3 – Manómetro de 100 mm e 80 mm de diâmetro, respetivamente ................................ 17
Figura 4.4 – Transdutor padrão e câmara, respetivamente ................................................................ 18
Figura 4.5 – Scanner reconvertido utilizado enquanto guia horizontal ............................................. 18
Figura 4.6 – Módulo de Aquisição Multifuncional de Dados (DAQ), USB-6212 ......................... 18
Figura 4.7 – Implementação das funções IMAQ Get Meter VI, IMAQ Read Meter VI e
ExtractSingleColorPlane VI em LabVIEW® .................................................................................................. 19
Figura 4.8 – Motor Unipolar (Fluminense, 2008) ............................................................................... 20
Figura 4.9 – Motor Unipolar de cinco e seis fios, respetivamente ................................................... 21
Figura 4.10 – Integrado ULN2004A utilizado enquanto interface de potência dos motores de
passo, sustentado no módulo USB-6212 ..................................................................................................... 21
Figura 4.11 – Algoritmo de acionamento de motor de passo em LabVIEW® .............................. 22
Figura 4.12 – Ligações do fototransístor e respetivo esquema ......................................................... 22
Figura 4.13 – Esquema de ligações do transdutor Delta OHM, TP804 ......................................... 23
Figura 4.14 – Integrado ICL7660 configurado enquanto conversor de voltagem negativa ......... 24
Figura 4.15 – Perspetiva da implementação do circuito conversor de voltagem negativa sobre o
protótipo ........................................................................................................................................................... 24
Figura 4.16 – Implementação em LabVIEW® da indicação do transdutor padrão ...................... 25
Figura 4.17 – Sistema de medição projetado ....................................................................................... 26
Figura 4.18 – Perspetivas iniciais da appMAN................................................................................. 27
Figura 4.19 – Definição da zona de interesse na appMAN ........................................................... 28
Figura 4.20 – Perspetivas finais da appMAN ................................................................................... 29
Figura 4.21 – Exemplo do Certificado de Calibração emitido pela appMAN ............................ 29
Figura 5.1 – Imagem resultante da distorção introduzida pela lente ................................................ 32
Figura 5.2 – Sequência de imagens retiradas sensivelmente no início, meio e fim de escala ....... 34
Figura 5.3 – Sequência de imagens que traduzem o erro de deteção da marcação de escala em
vez do ponteiro ................................................................................................................................................ 35
Figura 6.1 – Circuitos de comando, controlo e medição sustentados no módulo USB-6212 ..... 37
xii
Figura 6.2 – Parâmetros da lente: Tamanho do manómetro – FOV; Distância ao manómetro –
WD; Tamanho do sensor – S; Distância focal– focal length (National Instruments Corporation, 2014)
............................................................................................................................................................................ 38
xiii
Índice de tabelas
Tabela 3.1 — Grandezas envolvidas no modelo matemático ........................................................... 11
Tabela 3.2 — Fontes de incerteza e respetiva caracterização ........................................................... 13
Tabela 3.3 — Caracterização das incertezas padrão ........................................................................... 13
Tabela 3.4 — Caracterização do n.º de graus de liberdade efetivos e fator de cobertura ............ 14
Tabela 5.1 — Teste de 2014-04-12 ........................................................................................................ 31
Tabela 5.2 — Teste de 2015-08-22 relativo ao manómetro referenciado como MAN1 .............. 33
Tabela 5.3 — Teste de 2015-08-22 relativo ao manómetro referenciado como MAN2 .............. 33
xv
Índice de Equações
hLcv PPP , 3.1 .................................................................................... 11
ghPh , 3.2 .................................................................................... 12
ghPP Lcv , 3.3 .................................................................................... 12
cvPPE , 3.4 .................................................................................... 12
ghPP Lcv , 3.5 .................................................................................... 12
ghPPE L , 3.6 .................................................................................... 12
n
1i
2
ii
2
C uC(y)u , 3.7 .................................................................................... 12
(y)uCkU , 3.8 .................................................................................... 14
Distância focal × FOV = S × WD 6.1 .................................................................................... 38
xvii
Lista de Siglas, Acrónimos, Abreviaturas
e Símbolos
(Lista por ordem alfabética)
BIPM Bureau Internacional de Pesos e Medidas
DFI Departamento de Física
DRE Direção Regional da Economia
EMA Erro Máximo Admissível
IPP Instituto Politécnico do Porto
IPQ Instituto Português da Qualidade
ISEP Instituto Superior de Engenharia do Porto
JCGM Comité Conjunto para Guias em Metrologia
LABP Laboratório de Pressão
LRM Laboratório Regional de Metrologia
NUT II Nomenclatura de Unidades Territoriais para Fins Estatísticos (Norte, Centro,
Lisboa e Vale do Tejo, Alentejo e Algarve)
VIM Vocabulário Internacional de Metrologia
1
1 CAPÍTULO I
Introdução
1.1 Objetivos e Motivação
Sendo que o Controlo Metrológico Legal constituía o pilar fundamental na geração de receita
por parte da então Direção de Serviços da Qualidade – DSQ, representando mais de 70 % da
receita emitida (DRE Norte, 2012), cujas competências eram operacionalizadas pela Divisão da
Qualidade e Licenciamento – DivQ, o constrangimento operacional e orçamental na altura
vivenciado pela DRE Norte, fruto do quadro de extinção por fusão e reestruturação vigente desde
2012, efetivado desde o dia 26 de Junho de 2015 através da publicação na 2.ª série do Diário da
República N.º 128, de 3 de Julho desse mesmo ano, do Despacho n.º 7345/2015, de 25 de Junho,
resultou num défice dos respetivos recursos técnicos e humanos, cujos efeitos inviabilizavam
qualquer prospetiva ou ação de melhoria estrutural.
Nesses termos, tornou-se necessário implementar as medidas indispensáveis à otimização dos
recursos disponíveis, nomeadamente através da priorização das três atividades que constituíam o
‘core business’ em termos operacionais, ou seja, a verificação no âmbito do Controlo Metrológico
Legal de Sistemas de Medição Distribuidores de Combustível – SMDC, de Instrumentos de
Pesagem de Instalação Fixa, nomeadamente Pontes Básculas, e de Manómetros analógicos, para
pneumáticos de veículos automóveis e Industriais.
Se as restantes atividades referenciadas no parágrafo anterior eram desenvolvidas em serviço
externo, efetuando-se os ensaios nas instalações do utilizador, a verificação no âmbito do Controlo
Metrológico Legal de manómetros industriais constituía uma atividade laboratorial intensiva,
resultante da grande quantidade destes instrumentos de medição de pressão ensaiados anualmente.
Concluindo-se que a automação seria o caminho natural na senda duma solução exequível, cuja
implementação permitiria redirecionar recursos humanos para as restantes atividades, garantindo-se
simultaneamente a qualidade metrológica dos resultados, cedo se compreendeu que o
desenvolvimento da presente tese constituiria uma decisão estratégica da maior importância.
Como tal, em articulação com a direção superior da DRE Norte, foi inicialmente acordada a
disponibilização do financiamento necessário à implementação desse projeto, cuja concretização
não foi naturalmente possível dada a extinção das DRE conforme atrás disposto.
De qualquer forma, pretendia-se aplicar o automatismo desenvolvido ao sistema de medição1
então em utilização, constituído por um comparador de pressão múltiplo, também este
desenvolvido internamente (ver Figura 2.1), para que desempenhasse a função de realizar a leitura
1 Sistema de Medição é o conjunto de um ou mais instrumentos de medição e frequentemente outros dispositivos, compreendendo, se necessário, reagentes e fontes de alimentação, montado e adaptado para fornecer informações destinadas à obtenção dos valores medidos, dentro de intervalos especificados para grandezas de naturezas especificadas: 3.2 (VIM, 2012); Grandeza, por sua vez, é a propriedade dum fenómeno dum corpo ou duma substância, que pode ser expressa quantitativamente sob a forma dum número e duma referência, no caso vertente pressão: 1.1 (VIM, 2012).
2
da indicação desses manómetros analógicos através de técnicas de processamento de imagem,
função esta tradicionalmente executada por um operador especializado.
3
1.2 Organização do Relatório
Procurando sempre enquadrar os temas abordados nos conceitos e fundamentos da metrologia,
com especial destaque para o Controlo Metrológico Legal, a dissertação é constituída por seis
capítulos, por sua vez divididos em subcapítulos, sendo que o primeiro resume uma perspetiva
introdutória, relevando-se a origem do presente projeto e o principal objetivo que o sustenta.
Com o segundo capítulo avalia-se o ‘estado da arte’, designadamente no que respeita às técnicas
e tecnologias de visão artificial disponíveis, e respetiva articulação com o modo de proceder ao nível
metrológico, sendo que a sua contextualização teórica, nomeadamente em termos do resultado da
medição obtido através do cálculo do erro e incerteza associada, efetiva-se no terceiro capítulo.
Já o quarto capítulo aborda o desenvolvimento do protótipo que, sem prejuízo do ‘trabalho de
casa’, envolveu aproximadamente 1000 horas de trabalho laboratorial2, abrangendo a descrição das
soluções de instrumentação e metrologia por imagem implementadas, bem como o funcionamento
detalhado do modelo, cujas estratégias de medição, automação e controlo resultam de programação
em LabVIEW®.(ver algoritmo descrito no Anexo I)
O quinto capítulo traduz os resultados experimentais do estudo, comentando-se e discutindo-se
os testes mais relevantes e definitivos efetuados ao longo do presente projeto.
Por último, mas não menos importante, no sexto capítulo conclui-se os requisitos considerados
fundamentais à implementação de um exemplar de produção, bem como as propostas do trabalho
preliminar necessário à sua viabilidade.
2 Valor estimado, comprovável através do registo de levantamento de chaves, referente às salas H501 e H504, junto da segurança do ISEP.
4
2 CAPÍTULO II
‘Estado da Arte’
Segundo o Decreto-lei n.º 291/90 de 20 de Setembro, estão sujeitos a controlo metrológico
todos os instrumentos de medição envolvidos em operações comerciais, fiscais ou salariais, ou
utilizados nos domínios da segurança, da saúde, da economia de energia, bem como das
quantidades de produtos pré-embalados.
Os manómetros industriais enquadram-se no domínio da segurança, nos termos do disposto no
Regulamento do Controlo Metrológico dos Manómetros, Vacuómetros e Manovacuómetros,
publicado através da Portaria n.º 422/98 de 21 de Julho, cujas qualidades e características
metrológicas são estabelecidas pela norma (NP EN 837, 2003), como é o caso daqueles aplicados
em equipamentos sob pressão, nomeadamente caldeiras e recipientes de ar comprimido, que, ao
nível da região norte (NUT II), representam cerca de 5.000 verificações anuais, então executadas no
LRM, com uma receita associada a rondar os 95.000,00 €, repartida entre a DRE Norte e o IPQ na
proporção de 80 % e 20 %, respetivamente (DRE Norte, 2012).
Sucede que em cada verificação são executadas pelo menos 10 medições3, cuja leitura é manual,
visto serem instrumentos analógicos.
Desta forma, visando a realização de aproximadamente 50.000 medições por ano, surgiu a
necessidade de implementar uma metodologia que permita registar automaticamente as indicações
analógicas em suporte digital, de forma a tornar todo o processo mais eficiente e expedito,
suprimindo simultaneamente a influência dos erros associados ao operador.
Sucintamente, o modo de proceder no que respeita à verificação de um manómetro analógico,
sustenta-se na sua comparação com um instrumento de medição de pressão padrão4, através do
cumprimento do procedimento descrito no subcapítulo seguinte, registando-se em cada patamar de
medição a respetiva indicação (do manómetro e do padrão), cuja leitura é realizada manualmente
pelo operador. Tipicamente são ensaiados cinco patamares de medição, cada um em pressão
crescente e decrescente, num total de dez medições por manómetro.
Presentemente, mediante a utilização do comparador de pressão múltiplo ilustrado na Figura
2.1, cada patamar de medição é executado sequencialmente em cada um dos seis manómetros,
agilizando-se significativamente a realização dos ensaios.
Por outro lado, o mesmo procedimento, sustentado na mesma norma de referência (NP EN
837, 2003), é aplicável à calibração de manómetros, realizando-se no entanto pelo menos três ciclos,
visto ser indispensável registar os dados necessários ao cálculo da incerteza associada à medição.
3 Medição é o processo de obtenção experimental dum ou mais valores que podem ser, razoavelmente, atribuídos a uma grandeza: 2.1 (VIM, 2012).
4 Padrão, ou padrão de medição, é definido como a realização da definição duma dada grandeza, com um valor determinado e uma incerteza de medição associada, utilizada como referência: 5.1 (VIM, 2012).
5
Em suma, o objetivo do presente trabalho concentra-se em projetar e implementar a
arquitetura de um sistema que permita substituir o operador durante a leitura analógica, já
que a aquisição e registo da leitura reproduzida pelo instrumento padrão são digitais.
Figura 2.1 - Comparador de pressão múltiplo então em utilização no LABP do LRM da extinta DRE Norte, desenvolvido e concebido internamente
Importa esclarecer que todo o sistema de medição associado ao ensaio em apreço encontrava-
se implementado e em pleno funcionamento, conforme representado na figura anterior, pelo que o
presente projeto incidirá apenas sobre o equipamento necessário ao cumprimento do objetivo atrás
disposto.
2.1 Modo de proceder ao nível metrológico
Após terem sido definidos os patamares de ensaio (ver CAPÍTULO III), a metodologia em
apreço consiste então na seguinte sequência técnica:
a. As leituras fornecidas pelo manómetro e pelo instrumento padrão são ajustadas a zero e
registadas pelo operador;
b. Tomando como referência a indicação do manómetro, o operador pressuriza manualmente
o sistema de medição até ao próximo patamar de medição, registando a leitura
correspondente do padrão;
c. Sempre em pressão crescente, procede-se como na alínea anterior até todos os patamares
de medição serem contemplados;
d. Atingido o alcance máximo do manómetro, mantendo a sua indicação como referência, o
operador despressuriza manualmente o sistema de medição até ao patamar de medição
anterior, registando a leitura correspondente do padrão;
Manómetros
em ensaio
Manómetros
em ensaio
Instrumento de
medição de
pressão padrão
6
e. Sempre em pressão decrescente, procede-se de igual forma até contemplar todos os
patamares de medição, cumprindo-se o ciclo de ensaios quando o alcance mínimo do
manómetro é atingido.
2.2 Visão artificial aplicada à metrologia
Do grego METRON (medição) + LOGOS (conhecimento/ciência), Metrologia traduz-se
literalmente como a Ciência da Medição, ou seja, é O DOMÍNIO DO CONHECIMENTO RELATIVO À
MEDIÇÃO. Sendo que a Visão por Computador envolve a extração de informações úteis de
imagens, a Metrologia por Imagem conjuga ambos os conceitos, traduzindo-se numa medição “sem
contacto”, mediante a aquisição de imagens posteriormente tratadas através de algoritmos
computacionais, cujo recurso enquadra-se plenamente no objeto pretendido.
Acontece que uma solução integrada que dê resposta à equação em estudo não se encontra
comercialmente disponível no mercado, pelo que torna-se necessário começar pela análise e
avaliação das ferramentas adequadas ao registo em suporte digital da indicação analógica
reproduzida pela escala de um manómetro.
A primeira linha de trabalho constituiu-se durante as unidades curriculares de Metrologia por
Imagem METIM e Metrologia e Open Source METOS, em torno do desenvolvimento em
linguagem Python(x,y), apoiado pelas bibliotecas OpenCV (Open Source Computer Vision Library)
e PIL (Python Imaging Library), cuja principal vantagem resulta da sua livre utilização sem custos
associados.
Nesse sentido, tomando como referencia a imagem ilustrada na figura abaixo, procedeu-se à
respetiva leitura em código Python(x,y), bem como ao seu redimensionamento e transformação em
tons de cinzento, sendo posteriormente suavizada através de um filtro de mediana.
Figura 2.2 - Imagem protótipo e respetiva referenciação no espaço cartesiano, cujas coordenadas são designadas em pixel, segundo o código Python(x,y)
x
y
(0,0) x
y
7
Estabeleceu-se de seguida uma pré-segmentação que visou a separação entre o manómetro e o
fundo da respetiva imagem. Para tal, identificou-se a região de interesse mediante deteção do limiar
do manómetro, procedendo-se ao preenchimento do fundo dessa imagem, alterando a cor dos
respetivos pixels para branco [255]. Essa tarefa efetivou-se através da implementação do
crescimento de região a partir do pixel com essa mesma cor, denominado semente e localizado nas
coordenadas (20,20), obtendo-se, respetivamente, o resultado traduzido nas imagens abaixo
representadas.
Figura 2.3 - Suavização através de um filtro de mediana da imagem transformada em tons de cinzento (à esquerda), seguida do procedimento de crescimento de região (à direita)
Concluindo a presente metodologia, tendo em vista identificar o posicionamento da agulha do
manómetro através das suas coordenadas, procedeu-se à segmentação da imagem resultante
conforme a estratégia assinalada de seguida:
a. Identificação do contorno e centroide do manómetro, bem como do seu diâmetro, de
forma a encontrar a informação necessária à aplicação da transformada polar, obtendo-se o
resultado reproduzido na figura abaixo.
Figura 2.4 - Contorno da imagem e do manómetro (a verde), cujo diâmetro é 333, bem como do respetivo centroide (a vermelho), com as coordenadas (315, 252)
8
b. Aplicação da transformada polar representada na Figura 2.5 (imagem da esquerda).
c. Binarização da imagem linearizada mediante aplicação de um filtro threshold e respetiva
erosão através da operação morfológica erode, tendo em vista a eliminação de ruído,
conforme representado na figura seguinte (imagem do centro e direita, respetivamente).
Figura 2.5 - Sucessivamente: transformada polar (à esquerda), binarização (ao centro) e operação morfológica erode (à direita)
d. Por último, procedeu-se à identificação do contorno e centroide do ponteiro conforme
disposto de seguida:
i. Verificar contornos cujo pixel do centroide é de cor preta [0];
ii. Medir segmento de reta no eixo dos xx entre cada centroide e o primeiro
pixel branco [255] à sua direita;
iii. O centroide correspondente ao ponteiro será aquele relativo ao segmento
de reta maior, conforme demonstra a figura seguinte, onde também é
desenhado o respetivo contorno.
9
Figura 2.6 - Contorno do ponteiro (a azul), bem como do respetivo centroide (a vermelho), com as coordenadas (357, 267), destacado e ampliado na imagem da direita
2.2.1 Visão artificial por LabVIEW® No entanto, comprovou-se que a utilização de uma imagem diferente requer a procura de
novas afinações das variáveis inscritas no código que proporcionem os mesmos resultados,
sobretudo os valores de threshold, tornando-se necessário reforçar a robustez da solução,
nomeadamente através de estratégias de iluminação que promovam a uniformização da imagem,
pelo que entendeu-se oportuno analisar outras soluções disponíveis no mercado.
Não obstante serem utilizadas mediante a aquisição da licença aplicável, incluem ferramentas
avançadas de processamento de imagem já desenvolvidas, como é o caso do MATLAB® e do
LabVIEW®.
Relativamente ao MATLAB®, a Computer Vision System ToolboxTM proporciona algoritmos,
funções e aplicações destinadas ao desenho e simulação de sistemas de visão por computador e
processamento de imagem.
Contudo, o módulo NI Vision DevelopmentTM do LabVIEW® foi especificamente concebido
com o objetivo de desenvolver e implementar aplicações de visão por computador, possuindo
centenas de funções para adquirir e processar imagens melhorando a sua qualidade, tais como a
deteção de presenças e medição de peças, bem como a identificação de objetos e suas
características, designadamente os ponteiros de instrumentação analógica.
No que respeita a esta matéria, o módulo supracitado, através da função IMAQ Read Meter VI,
permite determinar a posição de um ponteiro dentro do arco traçado pela sua ponta, referenciado à
respetiva base, pelo que minimiza significativamente o tempo de desenvolvimento quando
comparado com as outras duas soluções atrás analisadas.
Assim sendo, entendeu-se que o LabVIEW® configura a solução mais eficaz e eficiente no
sentido do cumprimento do objetivo que preside ao presente projeto.
10
3 CAPÍTULO III
Fontes de Erro e Incerteza
3.1 Modo de proceder
O presente capítulo pretende estabelecer a metodologia de cálculo do erro5, de exatidão6 e
histerese7, assim como a incerteza8, associados à comparação entre os valores de pressão ajustados e
lidos em cada manómetro analógico e os valores correspondentes lidos no transdutor padrão,
abaixo referenciados como instrumentos de medição de pressão. Nos termos da norma (NP EN
837, 2003), esse instrumento padrão não poderá exceder ¼ do erro máximo admissível do
manómetro em ensaio9 e deve estar rastreado a um padrão nacional ou internacional.
No seguimento do disposto nessa norma, bem como no modo de proceder ao nível
metrológico descrito em 2.1, interessa ainda referir que é admitida a tolerância de + e% do alcance
máximo, sendo e igual à classe de exatidão do manómetro em ensaio, ou seja: classes 0,1; 0,25; 0,6;
1; 1,6; 2,5; 4. Os manómetros cuja classe ou erro máximo admissível fornecido pelo fabricante não
constem da referida norma devem ser classificados de acordo com a classe de exatidão mais
próxima, prevista nessa norma, que seja numericamente superior.
De igual modo, a norma atrás mencionada convenciona que os patamares de medição deverão
ser uniformemente distribuídos ao longo da escala do manómetro, e serão pelo menos dez para
manómetros das classes entre 0,1 e 0,6, quatro para a classe 4 e cinco para as restantes classes.
Também atribui requisitos de estabilidade da temperatura ambiente durante o ensaio, que não
deverá ter uma variação superior a +2 ºC para manómetros de classes entre 0,1 e 0,6, e +5 ºC para
as restantes classes. Por outro lado, também refere que os manómetros analógicos podem estar
munidos de uma espera para o ponteiro. Neste caso, a respetiva classe de exatidão deverá apenas
abranger de 10% a 100% da escala do manómetro, sendo os patamares de medição escolhidos em
conformidade. Quando não existe esse dispositivo, a classe de exatidão deverá abranger de 0% a
100% da escala do manómetro e o zero será um patamar de medição obrigatório, sendo que o
alcance máximo dos manómetros será também um patamar de medição obrigatório em ambos os
5 Erro, ou erro de medição, é a diferença entre o valor medido duma grandeza e um valor de referência: 2.16 (VIM, 2012); Valor de referência, por sua vez, é o valor duma grandeza utilizado como base para comparação com valores de grandezas da mesma natureza: 5.18 (VIM, 2012).
6 Exatidão, ou exatidão de medição, é o grau de concordância entre um valor medido e um valor verdadeiro duma mensuranda: 2.13 (VIM, 2012); Mensuranda, por sua vez, é a grandeza que se pretende medir: 2.3 (VIM, 2012).
7 No caso vertente, histerese é a diferença entre o valor de referência em pressão decrescente e crescente: 10.2, parte 1 (NP EN 837, 2003).
8 Incerteza, ou incerteza de medição, é o parâmetro não negativo que caracteriza a dispersão dos valores atribuídos a uma mensuranda, com base nas informações utilizadas: 2.26 (VIM, 2012).
9 Conforme disposto no 10.2 da parte 1 da norma de referência (NP EN 837, 2003).
11
casos. No entanto, considerando que o protótipo em apreço visa uma perspetiva académica, cuja
assemblagem foi efetuada com material reconvertido conforme descrito em 4.2, uma vez cumprida
a montagem do sistema de medição este fica ligeiramente pressurizado, pelo que os ensaios foram
realizados a partir dos 10% da escala de cada manómetro.
3.2 Método por comparação
A formulação do modo de proceder em apreço será sustentada no modelo ilustrado na Figura
3.1, referenciando-se a comparação entre os valores de pressão ajustados e lidos em cada
manómetro analógico e os valores correspondentes lidos no transdutor padrão.
Figura 3.1 – Modelo Geral do Sistema de Medição utilizado na verificação/calibração de Instrumentos de Medição de Pressão
3.2.1 Modelo matemático O sistema de medição em apreço, configurado nos termos da Figura 3.1 com as grandezas
referenciadas na Tabela 3.1, foi modelizado através da equação abaixo designada:
hLcv PPP , 3.1
Tabela 3.1 — Grandezas envolvidas no modelo matemático
Valor convencional da pressão Pcv
Valor da pressão lido no padrão PL
Valor da pressão resultante do peso da coluna de fluido transmissor de pressão Ph
Densidade do fluido transmissor de pressão
Aceleração da gravidade g
Diferença de cota entre a tomada de pressão do padrão e do instrumento em calibração h
12
Considerando que:
ghPh , 3.2
O modelo matemático em apreço configura-se conforme abaixo representado:
ghPP Lcv , 3.3
3.2.2 Cálculo do Erro
Nos termos da respetiva definição, o erro de medição10, E, calcula-se através da seguinte
expressão:
cvPPE , 3.4
Sendo que P = Valor da pressão lida no instrumento em calibração, se:
ghPP Lcv , 3.5
então:
ghPPE L , 3.6
3.2.3 Cálculo da incerteza combinada uC(y)
O cálculo da incerteza combinada uC(y), decorrente do Modelo Matemático, é calculada
conforme abaixo disposto, nos termos do documento (EA-4/02, 2013):
n
1i
2
ii
2
C uC(y)u , 3.7
10 Erro, ou erro de medição, é a diferença entre o valor medido duma grandeza e um valor de referência: 2.16 (VIM, 2012); Valor de referência, por sua vez, é o valor duma grandeza utilizado como base para comparação com valores de grandezas da mesma natureza: 5.18 (VIM, 2012).
13
Em que:
Tabela 3.2 — Fontes de incerteza e respetiva caracterização
Fonte da Incerteza Processo
de
Medição
Tipo de Avaliação
A ou B; e
Distribuição
Valor da
Incerteza Padrão
[ui]
Coeficiente de
Sensibilidade*
[Ci]
Nº de Graus
de
Liberdade
[i]
Repetibilidade do
ensaio de exatidão
Experimental A; Gaussiana u 1
1C1
L
cv
P
P
n-1
Em que n é o número de
ensaios
Instrumento padrão Certificado de
calibração
B; Retangular u 2 1C2 50
Resolução do
instrumento em
calibração
Especificação do
fabricante
B; Retangular u 3 1C3 50
Influência da
temperatura sobre o
padrão
Especificação do
fabricante
B; Retangular u 4 1C4 50
Densidade do fluido
transmissor de
pressão
Exatidão do valor B; Retangular u 5
ghPcv
5C
50
Aceleração da
gravidade
Exatidão do valor B; Retangular u 6
hg
Pcv
6C
50
Diferença de cota
entre a tomada de
pressão do padrão e
do instrumento em
calibração
Exatidão do valor B; Retangular u 7
gg
Pcv
7C
50
* Resultam da derivação do modelo matemático em função de cada uma das fontes de incerteza
Sendo que:
Tabela 3.3 — Caracterização das incertezas padrão
u1
n
1i
2
i )(1n
1u LLP PP
L
u2
2
IP23
1u EU
Em que IPEU = ¼ do erro correspondente à classe de exatidão do manómetro em
calibração classificado conforme a (NP EN 837, 2003).
A validação dos padrões para cada classe de exatidão resulta da confirmação que a
soma do módulo do maior erro entre pressão crescente e decrescente (E), com a respetiva
incerteza corrigida pela componente relativa à degradação desse padrão, é igual ou inferior
a ¼ do erro correspondente à classe de exatidão do manómetro em calibração classificado
conforme a (NP EN 837, 2003), tal como exemplificado no Anexo II.
14
u3 2
3 a3
1u R
Em que Ra = 1/2 e 1/10 da divisão do instrumento em calibração para equipamentos
digitais e analógicos, respetivamente.
u4 2
4 a3
1u T Em que PTT
100a
, com:
- Fator especificado pelo fabricante em %/ºC;
T - Variação da temperatura durante a calibração, considerando-se a variação máxima de 2ºC;
P - Pressão correspondente ao ponto em calibração.
u5 2
ρ5 a3
1u
Em que a = 10 kg/m3. Corresponde à variação da massa volúmica do fluido
transmissor de pressão, relativamente ao valor fornecido pelo respetivo fabricante.
u6 2
6 a3
1u g
Em que ga = exatidão com que é fornecida a aceleração da gravidade, ex.:
Se g = 9,8 ms-2, então ga = 0,05 ms-2
u7 2
7 a3
1u h
Em que ha = 0,010 m. Corresponde à exatidão com que é medida a diferença de cota
entre a tomada de pressão do padrão e do instrumento em calibração.
Concluindo, a Incerteza Expandida será:
(y)ukU C , 3.8
Em que:
Tabela 3.4 — Caracterização do n.º de graus de liberdade efetivos e fator de cobertura
ef
7
1ii
4
i
4
C
ef
ν
u
(y)uν
Em que ef é o número de graus de liberdade efetivos
k Fator de cobertura resultante da consulta do Anexo III em função do cálculo de ef
15
4 CAPÍTULO IV
Solução Desenvolvida
4.1 Objetivo
Conforme já referido, constitui objeto do presente trabalho projetar e desenvolver um
sistema de medição que permita substituir o operador durante a leitura de manómetros
analógicos, mediante a digitalização dessa mesma leitura, já que o instrumento de medição de
pressão padrão habitualmente é digital.
Porém, a viabilidade de qualquer solução passa necessariamente pela exatidão com que a leitura
analógica seja efetuada, particularmente no que respeita à minimização do erro de paralaxe11, de
forma a torná-lo desprezável. Deste modo, é essencial que o manómetro coincida com o campo de
visão da câmara, pelo que o seu posicionamento deverá contemplar, no mínimo, dois graus de
liberdade, ou seja, horizontal e vertical. No entanto, tendo em vista a total automatização desse
posicionamento, deveria igualmente prever-se a rotação da camara em torno do eixo da respetiva
lente, bem como em torno do eixo horizontal perpendicular a este, sendo que estes dois graus de
liberdade adicionais são contemplados neste projeto apenas de forma manual, conforme formulado
mais à frente no 4.7.
Não obstante, conforme à frente sustentado no CAPÍTULO V, a lente associada à câmara
desempenhará um papel fulcral no efetivo cumprimento da tese formulada no parágrafo anterior.
Por outro lado, a exatidão pretendida no posicionamento da câmara requer um sistema
mecânico de acionamento capaz de pequenos incrementos, pelo que a opção recaiu sobre a
utilização de motores de passo.
Garantido o indispensável posicionamento da câmara, a referida viabilidade da solução
desenvolvida passará igualmente pela exatidão com que o sistema de visão por computador
identificará a posição da agulha do manómetro em relação à respetiva escala. Acontece que,
conforme já referido, o LabVIEW® inclui uma função particularmente desenhada para esse efeito,
designada IMAQ Read Meter VI.
11 Nos manómetros analógicos, de forma a evitar o erro de paralaxe, a leitura da indicação deve ser realizada por forma que o olho do operador esteja alinhado num plano perpendicular ao mostrador que englobe a agulha de indicação.
16
4.2 Aspetos preliminares
Numa fase preparatória, em articulação com a direção superior da DRE Norte, foram previstas
as condições operacionais e financeiras necessárias à implementação do presente trabalho sobre o
comparador de pressão múltiplo em serviço no LABP do LRM (Figura 2.1). No entanto, em
consequência do quadro de extinção por fusão das Direções Regionais da Economia nos termos do
Decreto-Lei n.º 11/2014, de 22 de Janeiro, optou-se pelo desenvolvimento do protótipo
esquematizado na figura seguinte, constituído por um comparador de pressão adaptado ao ensaio
de dois manómetros em simultâneo, cujos resultados são naturalmente extrapoláveis para sistemas
de medição equivalentes com um maior número de manómetros associados.
Figura 4.1 – Arquitetura do protótipo
Assim, em resultado da indisponibilidade orçamental outrora prevista, tornou-se necessário
recorrer aos meios existentes nas instituições parceiras no presente projeto, ISEP e DRE Norte,
tendo-se identificado o seguinte expediente:
i. Comparador de pressão da marca Jofra, com capacidade para gerar até 350 bar,
acionado por motor de passo reconvertido de um ventilador de respiração assistida
avariado, conforme ilustrado na Figura 4.2;
ii. Amostra gratuita de guia linear da marca igus, série drylin® W, para guiamento do motor
de passo referenciado no item i, conforme ilustra a Figura 4.2;
17
Figura 4.2 – Guia linear; Motor de passo; Comparador de pressão
iii. Manómetro analógico de 100 mm de diâmetro da marca WIKA, com 16 bar de alcance
e 500 mbar de divisão, representado na Figura 4.3;
iv. Manómetro analógico de 80 mm de diâmetro da marca NUOVA FIMA, com 16 bar de
alcance e 100 mbar de divisão, reproduzido na Figura 4.3;
Figura 4.3 – Manómetro de 100 mm e 80 mm de diâmetro, respetivamente
v. Transdutor de pressão padrão da marca Delta OHM, modelo TP804, com 20 bar de
alcance e 1 mbar de divisão, retratado na Figura 4.4;
vi. Câmara USB da marca Logitech, modelo Pro9000, reproduzida na Figura 4.4;
Comparador de pressão
Guia linear
Motor de passo
18
Figura 4.4 – Transdutor padrão e câmara, respetivamente
vii. Guia linear, acionada por motor de passo, para posicionamento horizontal da câmara,
concretizada através da adaptação de um scanner avariado abaixo representado na Figura
4.5, bem como mais à frente na Figura 4.17, já no estágio final do protótipo;
Figura 4.5 – Scanner reconvertido utilizado enquanto guia horizontal
viii. Guia linear, acionada por motor de passo, para posicionamento vertical da câmara,
concretizada através da adaptação de um scanner avariado, mais à frente referenciado na
Figura 4.17, já no estágio final do protótipo;
ix. Módulo de Aquisição Multifuncional de Dados (DAQ) da National Intruments USB-
6212, abaixo representado;
Figura 4.6 – Módulo de Aquisição Multifuncional de Dados (DAQ), USB-6212
19
x. Software de instrumentação virtual LabVIEW®, com módulo NI Vision
DevelopmentTM.
Neste projeto foram também desenvolvidos circuitos eletrónicos de aquisição e controlo,
nomeadamente no que concerne à leitura do instrumento de pressão padrão e dos motores de
passo, respetivamente, cuja gestão assenta em programas implementados no Software LabVIEW®
da National Instruments, no qual todo o sistema é controlado através de um módulo de aquisição
(USB-6212, 2009) da mesma marca. Este módulo de aquisição multifuncional de dados
proporciona inúmeras funcionalidades, sendo que no caso vertente o controlo dos motores de
passo efetiva-se através das saídas digitais e a aquisição da leitura do instrumento de pressão padrão
através das entradas analógicas.
4.3 Leitura dos manómetros analógicos
Conforme mencionado em 2.2.1 e representado na Figura 4.7, a função IMAQ Read Meter VI
permite ler a posição do ponteiro tomando como referencia a sua base e os pontos do arco traçado
pela respetiva ponta, indicando-a como percentagem da gama do instrumento de medição analógico
em causa, no caso vertente, manómetros. Para tal, torna-se essencial calcular esses elementos com a
maior exatidão, nomeadamente através da referenciação inequívoca do início e do fim da escala do
manómetro em causa, denominada região de interesse, efetivada mediante recurso à função IMAQ
Get Meter VI.
Por outro lado, sendo que a função IMAQ Read Meter VI proporciona leituras de um ponteiro
escuro sobre fundo claro, ou vice-versa, cada imagem captada pela câmara, antes de ser processada,
carece de ser previamente convertida em tons de cinzento através da função IMAQ
ExtractSingleColorPlane VI, referenciando o plano de cores a ser extraído com ‘Luminance’.
Figura 4.7 – Implementação das funções IMAQ Get Meter VI, IMAQ Read Meter VI e ExtractSingleColorPlane VI em LabVIEW®
20
4.4 Acionamento dos motores de passo
No projeto deste componente importa formular uma metodologia de suporte e movimentação
da câmara entre cada manómetro, já que a utilização de uma câmara por cada um desses
instrumentos de medição de pressão parece, à partida, inviável.
Desta forma, a hipótese mais robusta, nomeadamente sob o ponto de vista da satisfação da
fiabilidade e da exatidão pretendidas, recai sobre duas guias lineares, cada uma acionada por um
motor de passo, dedicadas ao posicionamento horizontal e vertical da câmara, respetivamente, pelo
que foram reutilizados os dois scanners atrás referenciados (itens vii e viii do 4.2).
Os Motores de Passo (Fluminense, 2008) são dispositivos eletromecânicos que convertem
impulsos elétricos em movimentos mecânicos que consistem em pequenos incrementos angulares
denominados passos.
Importa portanto enquadrar a utilização dos motores de passo no projeto em apreço, sendo
que, antes de mais, foi necessário identificar as respetivas especificações.
As características mais importantes a ter em atenção no que respeita ao controlo de um motor
de passo são a tensão de alimentação e a corrente elétrica que as suas bobinas consomem. Se a
tensão de alimentação constava das especificações de funcionamento de cada scanner reconvertido, o
valor do consumo de corrente elétrica só foi possível determinar durante o respetivo
funcionamento.
Quanto à forma de operação, estes motores são geralmente ligados como mostra o esquema da
figura abaixo, com uma derivação central em cada um dos dois enrolamentos. Em serviço, essas
derivações, no centro de cada enrolamento, são tipicamente ligadas à alimentação positiva, e as duas
extremidades de cada enrolamento são alternadamente ligadas à terra visando inverter o sentido do
campo magnético fornecido por cada enrolamento, perfazendo seis ligações.
Figura 4.8 – Motor Unipolar (Fluminense, 2008)
Por outro lado, as duas derivações centrais são frequentemente unidas internamente, pelo que
poder-se-ão concretizar apenas cinco ligações. Concluiu-se portanto tratar-se de motores de passo
unipolares, de seis e cinco ligações, respetivamente (itens vii e viii do 4.2), materializadas em igual
número de fios, conforme esquematizado na figura abaixo.
21
Figura 4.9 – Motor Unipolar de cinco e seis fios, respetivamente
Interessa por fim saber que a resistência entre a referida ligação central, denominada comum, e
a extremidade do respetivo enrolamento é sempre metade do que aquela obtida entre as duas
extremidade desse mesmo enrolamento, pela simples razão de que está de facto fisicamente em
causa metade do respetivo comprimento total. Do mesmo modo, a resistência entre ligações de
enrolamentos diferentes será naturalmente nula, permitindo desta forma identificar todos os fios
dos dois tipos de motores em causa.
Por outro lado, a sequência de acionamento foi determinada por tentativas sucessivas, mediante
a monitorização do sentido de rotação resultante da ligação sequencial dos fios de terra à
alimentação negativa, após efetivar-se a alimentação positiva através do fio ou fios comuns,
conforme se trate do motor de passo de cinco ou seis fios, respetivamente (itens vii e viii do 4.2).
Assim, a automatização do acionamento de cada motor de passo concretizou-se através da
implementação em LabVIEW® da ligação à terra das extremidades de cada enrolamento na
sequência atrás determinada, conforme disposto na Figura 4.11, utilizando para tal as saídas digitais
do módulo USB-6212. No entanto, dado que a tensão de serviço do circuito de potência de cada
motor de passo (12 V para o de 6 fios e 24 V para os dois de 5 fios), é substancialmente maior do
que os 5 V que prefiguram a tensão de controlo do módulo USB-6212, tornou-se igualmente
necessário implementar um circuito de interface de potência constituído por uma ponte Darlington,
mediante a utilização de um array de transístores (ULN2004A, 2015), disposto conforme ilustra a
Figura 4.10.
Figura 4.10 – Integrado ULN2004A utilizado enquanto interface de potência dos motores de passo, sustentado no módulo USB-6212
22
Figura 4.11 – Algoritmo de acionamento de motor de passo em LabVIEW®
4.5 Implementação dos dispositivos de fim de curso
Relativamente a esta matéria, procedeu-se ao recondicionamento dos fototransístores que
efetivavam o fim de curso dos scanners referenciados em 4.2., evidenciando-se que a tensão medida
era diferente de zero no modo ilustrado na figura seguinte, sendo nula quando interrompido esse
sensor de infravermelhos conforme aí assinalado pela seta verde.
Figura 4.12 – Ligações do fototransístor e respetivo esquema
No entanto, da respetiva desmontagem a quente dos circuitos impressos onde se encontravam
originalmente soldados, resultaram anomalias no seu funcionamento, pelo que decidiu-se avançar
sem estes dispositivos.
23
De facto, em sede da análise académica pretendida com o protótipo, constatou-se que a
marcação física da origem cartesiana do sistema de posicionamento da câmara respondia
eficazmente às necessidades.
4.6 Leitura da indicação do transdutor padrão
Por fim, tornou-se necessário integrar a leitura obtida pelo transdutor de pressão padrão no
LabVIEW®, por forma a estabelecer a comparação entre a leitura reproduzida por cada manómetro
analógico, obtida através de visão por computador conforme disposto em 4.3, com a respetiva
leitura de referência.
Recorrendo à utilização de um multímetro, foi confirmada cada ligação entre o transdutor Delta
OHM TP804 e o seu terminal de leitura, referenciado em 4.2 (item v), designadamente em termos
de continuidade e sinal em tensão, identificando-se o respetivo esquema de funcionamento, cujo
conteúdo encontra-se representado na Figura 4.13, devidamente referenciado à cor dos fios que
constituem o cabo utilizado para concretizar as ligações com o módulo USB-6212.
Figura 4.13 – Esquema de ligações do transdutor Delta OHM, TP804
No entanto, se o módulo USB-6212 garante a aquisição do sinal de pressão reproduzido pelo
transdutor, bem como a componente positiva dos 5 V em corrente contínua, necessários à sua
alimentação, o mesmo já não se verifica relativamente à respetiva componente negativa, pelo que
foi necessário implementar o circuito descrito no subcapítulo seguinte.
4.6.1 Como obter tensão contínua negativa
Tendo em vista a otimização do protótipo, procedeu-se à implementação de uma estratégia que
permitisse obter a tensão contínua negativa a partir dos 5 V fornecidos pelo módulo USB-6212.
Para tal, recorreu-se a um integrado (ICL7660, 1994), que é um conversor de voltagem capacitivo
com a versatilidade de poder ser configurado para inverter, duplicar, dividir ou multiplicar uma
determinada tensão de entrada, conforme representa a Figura 4.14, sendo que a Figura 4.15 ilustra a
implementação efetiva sobre o protótipo, assinalando-se o integrado em questão.
24
Figura 4.14 – Integrado ICL7660 configurado enquanto conversor de voltagem negativa
Figura 4.15 – Perspetiva da implementação do circuito conversor de voltagem negativa sobre o protótipo
4.6.2 Unidade de leitura virtual
A implementação em LabVIEW® da indicação do transdutor concretizou-se através duma
interpolação linear, configurada entre a indicação em mV correspondente a 0 bar e aquela relativa
ao alcance máximo do transdutor, ou seja, 20 bar. Por sua vez, o ajuste do transdutor atrás
designado efetivou-se mediante a sua comparação com um manómetro digital com exatidão
superior. No entanto, concluiu-se que o transdutor apresenta anomalias de funcionamento,
nomeadamente no que respeita à falta de linearidade, pelo que as suas leituras no âmbito do
presente trabalho deverão ser apenas consideradas como indicativas da qualidade de funcionamento
do sistema de medição por visão artificial, excluindo-se qualquer análise quanto à qualidade
metrológica das leituras reproduzidas pelo padrão.
Assim sendo, a Figura 4.16 mostra a implementação do algoritmo de leitura da indicação do
transdutor em LabVIEW®, recorrendo à função Polynomial Interpolation VI, conforme aí assinalado
pela seta verde.
25
Figura 4.16 – Implementação em LabVIEW® da indicação do transdutor padrão
4.7 Modelo Global
A implementação do modelo global iniciou-se com a assemblagem dos dois scanners (ver itens
vii e viii do 4.2), recorrendo-se para tal à conceção da peça necessária ao encaixe destes dois
equipamentos, nomeadamente entre aquele que materializa o posicionamento horizontal da câmara
(ver item vii e viii do 4.2), doravante designado ‘guia horizontal’, e o que, por sua vez, concretiza o
posicionamento vertical da mesma, abaixo referenciado como ‘guia vertical’. Para tal, recorrendo a
um paquímetro, procedeu-se às medições necessárias ao desenho da peça destacada no patim
horizontal da Figura 4.17, sendo que o referido encaixe foi estabilizado pela colagem duma chapa
plástica, nomeadamente no que respeita à garantia da verticalidade e esquadria de todo o sistema de
posicionamento da câmara.
De igual modo, tornou-se necessário aferir a melhor montagem da câmara no patim da guia
vertical, entendendo-se recorrer ao encaixe originalmente utilizado enquanto suporte da lâmpada do
scanner. Assim sendo, fazendo uso do paquímetro referido anteriormente, efetuaram-se as
indispensáveis medições que sustentaram o desenho da peça de suporte da câmara referenciada na
Figura 4.17, projetada de forma a garantir a rotação dessa câmara em torno do eixo longitudinal
dessa peça, bem como em torno do eixo horizontal perpendicular a este. Estes dois graus de
liberdade adicionais revelam-se fundamentais, visto garantirem o ajuste inicial do campo de visão da
câmara de maneira a que seja perpendicular ao manómetro em ensaio, tendo em vista a eliminação
do erro de paralaxe. Releve-se que foi reproduzido o mecanismo original de fixação da câmara no
seu suporte original (ver Figura 4.4), por forma a adaptá-la à peça de suporte projetada.
26
Por outro lado, o comparador de pressão (ver item i do 4.2) foi transformado de forma a
incorporar mais uma saída de pressão, conforme ilustra a Figura 4.17, visando a montagem de dois
manómetros e um transdutor de pressão em simultâneo (ver itens iii, iv e v do 4.2).
Finalmente procedeu-se à automação da variação de pressão gerada pelo comparador atrás
referenciado (ver itens i e ii do 4.2), dando-se por concluída a implementação do modelo global,
cujo funcionamento a seguir se descreve. No entanto, em resultado do necessário recurso à
utilização de material reconvertido conforme disposto em 4.2, verificou-se que o motor de passo
destinado ao acionamento do comparador de pressão não fornecia o binário necessário a esse fim,
pelo que não foi possível efetivar a variação automática da pressão, concretizando-a apenas em
modo manual.
Figura 4.17 – Sistema de medição projetado
A implementação da monitorização e controlo do atrás disposto foi efetuada através da
utilização de sub-rotinas do LabVIEW®, designadas SubVI, ativadas a partir do programa
principal, conforme descrito nos subcapítulos 4.4 e 4.6 em articulação com a Figura 4.11 e Figura
4.16, respetivamente.
4.7.1 Funcionamento do protótipo
Interessa então concretizar a descrição de um ciclo de funcionamento do protótipo, cuja
aplicação informática desenvolvida sobre o LabVIEW® designou-se appMAN, que começa pela
introdução de toda a informação necessária ao ensaio. Naturalmente que numa situação de
Guia linear vertical
Guia linear horizontal
Manómetro em ensaio – MAN1
Manómetro em ensaio – MAN2
Patim vertical
Patim horizontal e respetivo
motor de passo
Comparador de pressão
Motor de passo atuador
do patim vertical
Transdutor padrão
Câmara Suporte da camara
Módulo USB-6212
Montagem da guia vertical sobre o patim horizontal
Montagem da guia vertical sobre o patim horizontal:
Chapa plástica de estabilização
27
produção, a articulação com um sistema de gestão processual informatizado permitiria o
carregamento prévio de um determinado pedido de execução de ensaio. De qualquer forma, torna-
se necessário introduzir os dados correspondentes aos campos com fundo em branco na Figura
4.18, sendo que aqueles com fundo em cinzento são de preenchimento automático.
Os dois manómetros em ensaio são referenciados por MAN1 e MAN2, respetivamente, sendo
que a câmara encontra-se inicialmente posicionada na origem cartesiana do seu sistema de
posicionamento.
Figura 4.18 – Perspetivas iniciais da appMAN
28
Após a ativação do botão ‘OK’, a aplicação aciona os motores de passo referentes às guias
lineares, horizontal e vertical, por forma a posicionar a câmara nas coordenadas referentes ao
primeiro manómetro a ser ensaiado, MAN1, onde o operador define manualmente a região de
interesse. Recorrendo ao rato do computador, posiciona a origem da linha interna da forma anelar
dessa região de interesse, designada annulus, no início de escala do manómetro, fazendo igualmente
coincidir o fim de escala com o da forma anelar, conforme assinalado na figura seguinte.
Figura 4.19 – Definição da zona de interesse na appMAN
Por outro lado, também aquando da primeira ativação do botão ‘OK’, a aplicação abre a template
de Excel designada ‘appMAN_calculos.xlt’, configurada e desenhada no sentido da execução dos
cálculos conforme disposto no CAPÍTULO III, bem como da emissão do respetivo certificado de
ensaio, cuja perspetiva consta na Figura 4.21. É igualmente neste momento que são exportados para
esse ficheiro de Excel os dados gerais necessários aos cálculos e à emissão do referido certificado de
ensaio.
Depois de se proceder da mesma forma para o segundo manómetro, MAN2 (é aberto um
ficheiro de Excel por cada manómetro), a aplicação dá início ao ciclo de ensaio definido em 2.1, ou
seja:
A câmara é posicionada nas coordenadas correspondentes ao MAN1;
Se a leitura de pressão no manómetro é menor do que o patamar em medição, o motor de
passo acoplado ao fuso do comparador de pressão roda no sentido da pressurização do
sistema de medição e vice-versa. Não obstante, conforme atrás referido em 4.7, reitera-se a
impossibilidade de concluir esta automação, pelo que na prática o ajuste de pressão é
executado manualmente;
Quando a leitura de pressão no manómetro coincide com o patamar em medição, o
sistema regista a leitura reproduzida pelo transdutor padrão, exportando-a para o respetivo
ficheiro de Excel, aberto conforme atrás descrito, posicionando a câmara nas coordenadas
correspondentes ao MAN2;
O modo de proceder descrito nos passos anteriores é repetido, sucessivamente, em relação
ao MAN2 e novamente MAN1, até concluir-se o ciclo de ensaio correspondente às duas
leituras, em pressão crescente e decrescente conforme referenciado na Figura 4.18,
executadas na totalidade dos patamares de medição;
Concluído o descrito no passo anterior, a câmara retorna à origem cartesiana do seu
sistema de posicionamento.
29
A Figura 4.20 ilustra a perspetiva final após conclusão do ciclo de ensaio, sendo que os
resultados são reproduzidos no certificado de ensaio inscrito no ficheiro de Excel referente a cada
um dos manómetros. A Figura 4.21 exemplifica os resultados alusivos a um ciclo de ensaio de
calibração ao manómetro referenciado como MAN1.
À semelhança da introdução da informação inicial necessária ao ensaio, conforme atrás
mencionado no primeiro parágrafo, a integração da appMAN com um sistema de gestão
processual informatizado, permitiria o armazenamento automático dos resultados da medição. De
qualquer forma, o operador deverá arquivar os registos de ensaio, respetivos cálculos, bem como o
certificado de ensaio, mediante gravação dos ficheiros de Excel atrás descritos.
Figura 4.20 – Perspetivas finais da appMAN
Figura 4.21 – Exemplo do Certificado de Calibração emitido pela appMAN
30
O Anexo I reproduz o algoritmo implementado em LabVIEW® que suporta a aplicação
appMAN.
5 CAPÍTULO V
Resultados obtidos com a solução
Ainda numa fase incipiente no que respeita à concretização de um sistema de
verificação/calibração totalmente automatizado, concluiu-se que a questão fundamental, a nível de
medição, reside na exatidão com que a imagem do manómetro é reproduzida, nomeadamente em
termos da respetiva proporcionalidade, ou seja, a sua reprodução sem distorção mensurável pelo
sistema de medição.
De facto, conforme comprova o teste efetuado em 2014-04-12, cujos resultados constam da
Tabela 5.1, em que foram utilizadas as imagens previamente gravadas inscritas no Anexo IV, ficou
evidenciada a repetibilidade em cada ciclo, sendo que os erros na deteção do ponteiro são inferiores
a ¼ do EMA, consistentes com um hipotético padrão conforme referido em 3.1.
Por outro lado, como já era previsível, os maiores desvios registam-se nas leituras entre as
marcações de escala correspondentes à divisão. No entanto, conforme disposto em 3.1, o modo de
proceder aplicável consiste no acerto da pressão pretendida no manómetro em ensaio em valores
coincidentes com a escala deste, pelo que esta última questão é irrelevante.
31
IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW
0,00 0,00 0,012904 0,00 0,012904 0,00 0,012904 0,00 0,012904 0,00 0,012904 0,00 0,012904 0,00 0,012904 0,00 0,012904 0,00 0,012904 0,00 0,012904 0,013
0,10 0,083985 0,10 0,083985 0,10 0,083985 0,10 0,083985 0,10 0,083985 0,10 0,083985 0,10 0,083985 0,10 0,083985 0,10 0,083985 0,10 0,083985 0,10 0,083985 -0,016
0,20 0,174233 0,20 0,174233 0,20 0,174233 0,20 0,174233 0,20 0,174233 0,20 0,174233 0,20 0,174233 0,20 0,174233 0,20 0,174233 0,20 0,174233 0,20 0,174233 -0,026
0,30 0,284015 0,30 0,284015 0,30 0,284015 0,30 0,284015 0,30 0,284015 0,30 0,284015 0,30 0,284015 0,30 0,284015 0,30 0,284015 0,30 0,284015 0,30 0,284015 -0,016
0,40 0,39387 0,40 0,39387 0,40 0,39387 0,40 0,39387 0,40 0,39387 0,40 0,39387 0,40 0,39387 0,40 0,39387 0,40 0,39387 0,40 0,39387 0,40 0,39387 -0,006
0,50 0,497882 0,50 0,497882 0,50 0,497882 0,50 0,497882 0,50 0,497882 0,50 0,497882 0,50 0,497882 0,50 0,497882 0,50 0,497882 0,50 0,497882 0,50 0,497882 -0,002
0,60 0,581915 0,60 0,581915 0,60 0,581915 0,60 0,581915 0,60 0,581915 0,60 0,581915 0,60 0,581915 0,60 0,581915 0,60 0,581915 0,60 0,581915 0,60 0,581915 -0,018
0,70 0,685813 0,70 0,685813 0,70 0,685813 0,70 0,685813 0,70 0,685813 0,70 0,685813 0,70 0,685813 0,70 0,685813 0,70 0,685813 0,70 0,685813 0,70 0,685813 -0,014
0,80 0,784385 0,80 0,784385 0,80 0,784385 0,80 0,784385 0,80 0,784385 0,80 0,784385 0,80 0,784385 0,80 0,784385 0,80 0,784385 0,80 0,784385 0,80 0,784385 -0,016
0,90 0,882967 0,90 0,882967 0,90 0,882967 0,90 0,882967 0,90 0,882967 0,90 0,882967 0,90 0,882967 0,90 0,882967 0,90 0,882967 0,90 0,882967 0,90 0,882967 -0,017
1,00 1,009594 1,00 1,009594 1,00 1,009594 1,00 1,009594 1,00 1,009594 1,00 1,009594 1,00 1,009594 1,00 1,009594 1,00 1,009594 1,00 1,009594 1,00 1,009594 0,010
1,10 1,083098 1,10 1,083098 1,10 1,083098 1,10 1,083098 1,10 1,083098 1,10 1,083098 1,10 1,083098 1,10 1,083098 1,10 1,083098 1,10 1,083098 1,10 1,083098 -0,017
1,20 1,17692 1,20 1,17692 1,20 1,17692 1,20 1,17692 1,20 1,17692 1,20 1,17692 1,20 1,17692 1,20 1,17692 1,20 1,17692 1,20 1,17692 1,20 1,17692 -0,023
1,30 1,278791 1,30 1,278791 1,30 1,278791 1,30 1,278791 1,30 1,278791 1,30 1,278791 1,30 1,278791 1,30 1,278791 1,30 1,278791 1,30 1,278791 1,30 1,278791 -0,021
1,40 1,397241 1,40 1,397241 1,40 1,397241 1,40 1,397241 1,40 1,397241 1,40 1,397241 1,40 1,397241 1,40 1,397241 1,40 1,397241 1,40 1,397241 1,40 1,397241 -0,003
1,50 1,487032 1,50 1,487032 1,50 1,487032 1,50 1,487032 1,50 1,487032 1,50 1,487032 1,50 1,487032 1,50 1,487032 1,50 1,487032 1,50 1,487032 1,50 1,487032 -0,013
1,60 1,602318 1,60 1,602318 1,60 1,602318 1,60 1,602318 1,60 1,602318 1,60 1,602318 1,60 1,602318 1,60 1,602318 1,60 1,602318 1,60 1,602318 1,60 1,602318 0,002
1,70 1,680293 1,70 1,680293 1,70 1,680293 1,70 1,680293 1,70 1,680293 1,70 1,680293 1,70 1,680293 1,70 1,680293 1,70 1,680293 1,70 1,680293 1,70 1,680293 -0,020
1,80 1,775579 1,80 1,775579 1,80 1,775579 1,80 1,775579 1,80 1,775579 1,80 1,775579 1,80 1,775579 1,80 1,775579 1,80 1,775579 1,80 1,775579 1,80 1,775579 -0,024
1,90 1,899727 1,90 1,899727 1,90 1,899727 1,90 1,899727 1,90 1,899727 1,90 1,899727 1,90 1,899727 1,90 1,899727 1,90 1,899727 1,90 1,899727 1,90 1,899727 0,000
2,00 1,966125 2,00 1,966125 2,00 1,966125 2,00 1,966125 2,00 1,966125 2,00 1,966125 2,00 1,966125 2,00 1,966125 2,00 1,966125 2,00 1,966125 2,00 1,966125 -0,034
2,10 2,078898 2,10 2,078898 2,10 2,078898 2,10 2,078898 2,10 2,078898 2,10 2,078898 2,10 2,078898 2,10 2,078898 2,10 2,078898 2,10 2,078898 2,10 2,078898 -0,021
2,20 2,180828 2,20 2,180828 2,20 2,180828 2,20 2,180828 2,20 2,180828 2,20 2,180828 2,20 2,180828 2,20 2,180828 2,20 2,180828 2,20 2,180828 2,20 2,180828 -0,019
2,30 2,300801 2,30 2,300801 2,30 2,300801 2,30 2,300801 2,30 2,300801 2,30 2,300801 2,30 2,300801 2,30 2,300801 2,30 2,300801 2,30 2,300801 2,30 2,300801 0,001
2,40 2,402599 2,40 2,402599 2,40 2,402599 2,40 2,402599 2,40 2,402599 2,40 2,402599 2,40 2,402599 2,40 2,402599 2,40 2,402599 2,40 2,402599 2,40 2,402599 0,003
2,50 2,484251 2,50 2,484251 2,50 2,484251 2,50 2,484251 2,50 2,484251 2,50 2,484251 2,50 2,484251 2,50 2,484251 2,50 2,484251 2,50 2,484251 2,50 2,484251 -0,016
1,75 1,775579 1,75 1,775579 1,75 1,775579 1,75 1,775579 1,75 1,775579 1,75 1,775579 1,75 1,775579 1,75 1,775579 1,75 1,775579 1,75 1,775579 1,75 1,775579 0,026
0,95 0,976768 0,95 0,976768 0,95 0,976768 0,95 0,976768 0,95 0,976768 0,95 0,976768 0,95 0,976768 0,95 0,976768 0,95 0,976768 0,95 0,976768 0,95 0,976768 0,027
0,55 0,581915 0,55 0,581915 0,55 0,581915 0,55 0,581915 0,55 0,581915 0,55 0,581915 0,55 0,581915 0,55 0,581915 0,55 0,581915 0,55 0,581915 0,55 0,581915 0,032
0,05 0,083985 0,05 0,083985 0,05 0,083985 0,05 0,083985 0,05 0,083985 0,05 0,083985 0,05 0,083985 0,05 0,083985 0,05 0,083985 0,05 0,083985 0,05 0,083985 0,034
0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,012904 0,013
ERRO
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3 Ciclo 4 Ciclo 5 Ciclo 6 Ciclo 7 Ciclo 8 Ciclo 9 Ciclo 10 Ciclo 11
Manómetro Analógico, Marca NUOVA FIMA, Classe 1 EN837-1 (EMA 0,16 bar <=> EMApadrão 0,04 bar), Nº Série 38817 19/2002, Alcance 16 bar, Divisão 0,1 bar
Tabela 5.1 — Teste de 2014-04-12
32
Assim sendo, sem prejuízo das questões relativas à capacidade do sistema de posicionamento
da câmara repetir com exatidão adequada a posição de cada manómetro, conforme constatado nos
ensaios referenciados em 4.7.1, os maiores desvios resultam essencialmente da distorção
introduzida pela lente da câmara. De facto, conforme ilustrado na figura abaixo, verifica-se que
embora a zona de interesse, materializada pelo arco de circunferência exterior de cor verde,
coincidir com a escala do manómetro, o seu ponto central, materializado pelo ponto azul, encontra-
se desviado relativamente ao centro desse mesmo manómetro.
Figura 5.1 – Imagem resultante da distorção introduzida pela lente
Os resultados dos testes efetivados em 2015-08-22, inscritos na Tabela 5.2 e Tabela 5.3, onde
são comparadas as leituras obtidas visualmente com os respetivos registos reproduzidos pelo
LabVIEW®, já com o protótipo a funcionar na sua versão final conforme descrito em 4.7.1,
traduzem a influência dessa distorção da imagem introduzida pela lente da câmara, não obstante
manterem-se as condições de repetibilidade dos testes efetuados com imagens previamente
gravadas concretizados na fase inicial do presente estudo, sem prejuízo do abaixo disposto no que
respeita aos valores assinalados a vermelho nessas tabelas.
33
Tabela 5.2 — Teste de 2015-08-22 relativo ao manómetro referenciado como MAN1
Tabela 5.3 — Teste de 2015-08-22 relativo ao manómetro referenciado como MAN2
De facto, nos termos do funcionamento do protótipo conforme referenciado em 4.7.1, dado
que a posição do ponteiro é determinada dentro do arco traçado pela sua ponta, referenciado à
respetiva base, traduzindo-se o valor de pressão correspondente a essa posição proporcionalmente
ao alcance mínimo e máximo da escala do manómetro, verifica-se que a incoerência entre o valor
lido visualmente na imagem e aquele reproduzido pelo LabVIEW® deve-se à falta de
proporcionalidade entre a zona de interesse materializada pelo arco de circunferência, bem como
pelo respetivo centro, ambos referenciados na Figura 5.1, e a imagem real desse manómetro,
conforme evidencia a sequência de imagens ilustradas nas figura seguinte.
IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW
1,99 2 2,00 2 2,10 2
5,49 5,5 5,49 5,5 5,49 5,5
8,99 9 8,99 9 8,99 9
12,49 12,5 12,49 12,5 12,49 12,5
16,00 16 16,00 16 16,00 16
16,00 16 16,10 16 16,10 16
12,49 12,5 12,49 12,5 12,49 12,5
8,99 9 8,99 9 8,99 9
5,49 5,5 5,49 5,5 5,49 5,5
1,99 2 2,00 2 1,99 2
MAN1 - Manómetro Analógico, Marca WIKA, Classe 1 EN837-1
(EMA 0,16 bar <=> EMApadrão 0,04 bar), Nº Série 1279001, Alcance
16 bar, Divisão 0,5 bar
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3
IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW IMAGEM LABVIEW
2,00 2 2,00 2 1,90 2
5,45 5,5 5,40 5,5 5,45 5,5
8,90 9 8,90 9 8,95 9
12,45 12,5 12,45 12,5 12,45 12,5
16,00 16 15,95 16 16,00 16
16,00 16 15,90 16 16,00 16
12,45 12,5 12,45 12,5 12,45 12,5
8,90 9 8,95 9 8,90 9
5,40 5,5 5,45 5,5 5,45 5,5
2,00 2 2,00 2 2,00 2
MAN2 - Manómetro Analógico, Marca NUOVA FIMA, Classe
1 EN837-1 (EMA 0,16 bar <=> EMApadrão 0,04 bar), Nº Série
38817 19/2002, Alcance 16 bar, Divisão 0,1 bar
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3
34
Figura 5.2 – Sequência de imagens retiradas sensivelmente no início, meio e fim de escala
Verifica-se que a falta de proporcionalidade atrás referenciada faz com que o valor lido
visualmente seja coincidente com aquele reproduzido pelo LabVIEW® no início de escala,
afastando-se estes valores no meio da escala e voltando-se a aproximar no fim.
35
Por outro lado, os valores inscritos a vermelho na Tabela 5.2 e Tabela 5.3 resultam da incorreta
deteção do ponteiro. Ao contrário das imagens previamente gravadas que sustentaram os testes
iniciais (ver Tabela 5.1), cujas características são imutáveis, as imagens gravadas “ao vivo” pela
câmara dependem das respetivas condições de aquisição, particularmente no que respeita à
iluminação.
De qualquer forma, conforme testemunham as figuras inscritas no presente capítulo, onde se
verifica que foi possível desenvolver o presente trabalho sem especiais cuidados relativamente às
condições em que foram adquiridas as imagens, descortinando-se várias imperfeições tais como
reflexos e focagem deficiente, sem que os resultados obtidos fossem inviabilizados, fica
comprovada a robustez dos algoritmos utilizados pelo LabVIEW®, ficando igualmente sustentada a
correta seleção dessa ferramenta concretizada na fase preparatória do projeto.
No seguimento do atrás disposto, os erros identificados na deteção do ponteiro traduzem-se
essencialmente pela “confusão”, em que incorre o sistema, entre esse ponteiro e a marcação de
escala mais próxima, evidenciada, a título de exemplo, pelas imagens ilustradas na figura seguinte
referente aos valores assinalados a vermelho no ciclo 3 da Tabela 5.2.
Figura 5.3 – Sequência de imagens que traduzem o erro de deteção da marcação de escala em vez do ponteiro
36
6 CAPÍTULO VI
Conclusões
6.1 Conclusões
Conclui-se que os resultados alcançados com o protótipo em apreço são consistentes com a
exatidão esperada, pelo que a passagem à fase da implementação de um exemplar de produção seria
exequível, conforme evidenciam os resultados apresentados.
De facto, conforme estabelecido na Tabela 3.3 do subcapítulo 3.2.3 referente à caracterização
da fonte de incerteza resultante da resolução do manómetro em ensaio, aí referenciada como u3,
sendo que no caso de instrumentos analógicos essa contribuição perfaz 110⁄ da respetiva divisão,
constata-se que a exatidão com que o sistema em apreço deteta o ponteiro é consistente com essa
mesma disposição.
Não obstante, a principal dificuldade na concretização do protótipo, sem prejuízo dos naturais
contratempos resultantes da implementação das metodologias de comando, controlo e medição
conforme demonstra a Figura 6.1, prendeu-se com a estabilidade da aquisição de imagens “ao
vivo”.
De facto, conforme referido no CAPÍTULO V, a questão fundamental residiu na exatidão com
que a imagem do manómetro é reproduzida. Nos termos desse capítulo, sem prejuízo da questão
inerente à distorção introduzida pela lente confirmada num estágio final de desenvolvimento do
protótipo, verificou-se, numa fase preliminar, haver incoerência nas leituras sem que, no entanto, se
pudesse estabelecer qualquer relação causa efeito. Concluiu-se posteriormente dever-se à falta de
rigidez do material constituinte do suporte inicialmente projetado, o qual provocava flexão no varão
cilíndrico desse suporte (ver Figura 4.17), por via do peso da câmara fixada à respetiva parte
paralelepipédica. Releve-se que o movimento do sistema de posicionamento naturalmente
potenciava a anomalia vertente.
Pelo atrás disposto, tornou-se necessário reproduzir esse varão cilíndrico em aço com ponta
roscada, de forma a fixá-lo na referida parte paralelepipédica do suporte, à qual, por sua vez, é
fixada a câmara (ver Figura 4.17), ficando assim esta anomalia colmatada.
37
Figura 6.1 – Circuitos de comando, controlo e medição sustentados no módulo USB-6212
No entanto, embora a appMAN detenha uma função de busca automática do posicionamento
inicial da câmara relativamente a cada manómetro, considera-se que essa função não atingiu a
robustez necessária. De facto, a função carece de mais ensaios de funcionamento, nomeadamente
com recurso a testes de iluminação, cujo âmbito não foi possível incluir no presente trabalho em
tempo útil, não sendo possível retirar conclusões sustentáveis. Alguns pontos a considerar são:
No que respeita ao manómetro referenciado através da sigla MAN1, os melhores
resultados foram atingidos sem qualquer contraste de fundo, verificando-se que a
função não converge para o resultado esperado se esse contraste for estabelecido.
Releve-se que foram efetuados testes com fundo preto, branco e verde, concluindo-se
que seria o preto a obter resultados menos insatisfatórios;
Pelo contrário, no manómetro referenciado como MAN2, os melhores resultados
foram atingidos com fundo preto, verificando-se que a função não converge para o
resultado esperado se não houver qualquer contraste.
Assim, a fase de produção terá que, inevitavelmente, ser precedida das diligências necessárias à
melhoria da busca automática do centro de cada manómetro, particularmente no que respeita à
respetiva ordenada, já que a abcissa é conhecida à partida, isto é:
Estabelecendo-se a origem cartesiana do sistema de medição, de forma manual ou automática
conforme disposto em 4.5, ficam igualmente estabelecidas as distâncias horizontais a cada um
dos manómetros.
38
6.2 Trabalho Futuro
Em jeito de conclusão do disposto em 6.1, torna-se necessário reforçar a robustez da solução
encontrada na automatização do posicionamento inicial da câmara relativamente a cada
manómetro, nomeadamente através de estratégias que permitam acentuar o contraste entre o
manómetro e o fundo da imagem, em articulação com técnicas de iluminação que promovam a
uniformização da mesma, particularmente no que respeita à colmatação de zonas sombreadas e/ou
com reflexos, durante a aquisição dessa mesma imagem, conforme se pode observar, a título de
exemplo, na Figura 5.3.
Por outro lado, no seguimento do referido em 4.2, dada a necessidade de projetar e executar
um protótipo com o expediente disponível, tornou-se imperativo o recurso à câmara referenciada
no item vi desse subcapítulo, e por conseguinte, à respetiva componente ótica. Não obstante, a
escolha da lente a utilizar num exemplar de produção deverá ter em linha de conta os parâmetros
abaixo equacionados e referenciados na Figura 6.2.
De qualquer forma, conforme disposto no CAPÍTULO V, é fundamental que essa lente
detenha, sobretudo, uma baixa distorção geométrica.
Distância focal × FOV = S × WD 6.1
Figura 6.2 – Parâmetros da lente: Tamanho do manómetro – FOV; Distância ao manómetro – WD; Tamanho do sensor – S; Distância focal– focal length (National Instruments Corporation, 2014)
Por último, também no seguimento do necessário recurso ao expediente disponível, conforme
atrás mencionado, tendo em vista a total automatização dum exemplar de produção, deverá ser
igualmente considerada a colmatação das seguintes lacunas identificadas no protótipo:
Implementação de dois dispositivos de fim de curso que referenciem, de forma
inequívoca, a origem cartesiana do sistema de posicionamento da câmara, cuja
concretização no protótipo foi inviabilizada pelas circunstâncias expostas em 4.5;
Dimensionamento do motor de passo destinado ao acionamento do comparador de
pressão de forma a fornecer o binário necessário à variação automática da pressão,
eventualmente mediante recurso a caixa redutora, cuja implementação no protótipo foi
inviabilizada pelas circunstâncias referidas em 4.7.
39
BIBLIOGRAFIA
DRE Norte, Ministério da Economia. 2012. Relatório de Atividade. Porto : s.n., 2012. pp. 34 e
12-13 Anexo 5.
EA-4/02, European Accreditation. 2013. EA-4/02. Evaluation of the Uncertainty of Measurement
in Calibration. 2013.
Fluminense, Universidade Federal. 2008.
https://www.telecom.uff.br/pet/petws/downloads/tutoriais/stepmotor/stepmotor2k81119.pdf.
[Online] Motor de Passo, 2008.
ICL7660. 1994. [Online] 1994. https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ICL7660-
MAX1044.pdf.
National Instruments Corporation. 2014. Calculating Camera Sensor Resolution and Lens
Focal Length. [Online] 23 de 06 de 2014.
http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/1948AE3264ECF42E86257D00007305D5.
NP EN 837, Parte 1-2-3. 2003. EN NP 837. Manómetros. 2003.
ULN2004A. 2015. [Online] Junho de 2015. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/uln2004a.pdf.
USB-6212. 2009. [Online] Abril de 2009. http://www.ni.com/pdf/manuals/371931f.pdf.
VIM, IPQ, INMETRO. 2012. 1ª edição luso-brasileira, autorizada pelo BIPM, da 3ª edição
internacional do VIM - International Vocabulary of Metrology — Basic and general concepts and associated terms -
JCGM 200:2012. s.l. : JCGM © 2012, 2012. ISBN 978-972-763-00-6.
41
ANEXOS
Anexo I – Algoritmo implementado em LabVIEW® que suporta a aplicação appMAN ........ 42
Anexo II – Metodologia de validação dos padrões ............................................................................ 45
Anexo III – Distribuição t de Student .................................................................................................... 47
Anexo IV – Imagens previamente gravadas utilizadas no teste efetuado em 2014-04-12 ........... 48
42
Anexo I – Algoritmo implementado em LabVIEW®
que suporta a aplicação appMAN
Botão ‘OK’
activado?
Sim
Abrir template de
Excel
‘appMAN_calculos.xlt’
Início
Introduzir dados
do manómetro
Botão ‘OFF’
activado (‘ON’)?
Camara posicionada
na origem cartesiana
do seu sistema de
posicionamento
Camara posicionada
na abcissa do centro
do manómetro
Introduzir dados do
manómetro no
ficheiro Excel
resultante
Botão Au t/Man na
posição AutSimBusca automática do
centro do manómetroSim
Busca manual do
centro do manómetro
Não
Mediante
acionamento dos
botões xx, -xx, yy e -yy
Camara posicionada
na abcissa e
ordenada do
manómetro
Com ordenada de
forma que o campo de
visão da camara
inclua o manómetro
Botão ‘STOP’
activado?
Não
O operador define a
região de interesse
Botão ‘OK’
activado?Sim
Botão ‘STOP’
activado?Sim
Man ómetro=
MAN1?
Sim
manómetro=MAN2
Não
Sim
43
Lei tura MAN=
patamar de
medição n?
Camara posicionada
na abcissa e
ordenada do MAN
Sim
Introduzir leitura na
appMAN e ficheiro
Excel correspondente
MAN=MAN1?
MAN=MAN1;
n=1
Sim
MAN=MAN2
Botão ‘STOP’
activado?
Não
Lei tura MAN<
patamar de
medição n?
Não
Pressurizar
comparador
Sim
Despressurizar
comparador
Não
Botão ‘STOP’
activado?
Não
n=nº patamares
de medição?NãoMAN=MAN1;
n=n+1Não
Lei tura MAN=
patamar de
medição n?
Camara posicionada
na abcissa e
ordenada do MAN
Sim
Introduzir leitura na
appMAN e ficheiro
Excel correspondente
MAN=MAN1;
n=nº patamares de
medição
MAN=MAN2
Leitura MAN<
patamar de
medição n?
Não
Pressurizar
comparador
Sim
Despressurizar
comparador
Não
Botão ‘STOP’
activado?
Não
Sim
Sim
Sim
Sim
Não
44
MAN=MAN1? Sim
Botão ‘STOP’
activado?
Não
n=1? NãoMAN=MAN1;
n=n-1Não
Posicionar a camara
na origem cartesiana
do seu sistema de
posicionamento
Sim
Fim
Sim
45
Anexo II – Metodologia de validação dos padrões
Exemplo transcrito de certificado de calibração de um padrão
Indicação no
Equipamento Unidade Maior Erro Incerteza Ucorr K |E+Ucorr|
0 bar 0,0001 0,00043 0,000434 2,02 0,000534
0,6 bar 0,0001 0,00043 0,000489 2,02 0,000589
1 bar 0,0001 0,00045 0,000465 2,02 0,000565
1,6 bar 0,0001 0,00045 0,000507 2,02 0,000607
2 bar 0,0001 0,00045 0,000507 2,02 0,000607
2,5 bar 0,0001 0,00058 0,000625 2,02 0,000725
3 bar 0,0002 0,00065 0,000673 2,02 0,000873
4 bar 0,0002 0,0008 0,000834 2,03 0,001034
5 bar 0,0001 0,001 0,001027 2,03 0,001127
6 bar 0,0002 0,0011 0,001114 2,03 0,001314
6,9 bar 0,0002 0,0013 0,001305 2,03 0,001505
Ucorr Incerteza corrigida: corresponde à soma da variância da última calibração, com a
variância (distribuição retangular) relativa à maior diferença dos erros das
calibrações anteriores ΔE
2
2
12
1E
k
IncertezakU corr
EMA Alcance (bar)
Classe:
NP EN 837
(%) 0,6 1 1,6 2,5 4 6
0,1 0,0006 0,001 0,0016 0,0025 0,004 0,006
0,25 0,0015 0,0025 0,004 0,00625 0,01 0,015
0,6 0,0036 0,006 0,0096 0,015 0,024 0,036
1 0,006 0,01 0,016 0,025 0,04 0,06
1,6 0,0096 0,016 0,0256 0,04 0,064 0,096
2,5 0,015 0,025 0,04 0,0625 0,1 0,15
4 0,024 0,04 0,064 0,1 0,16 0,24
46
O padrão cumpre o critério de aceitação para os manómetros cujo alcance/classe corresponde
às células cinzentas:
¼ EMA Alcance (bar)
Classe:
NP EN 837
(%) 0,6 1 1,6 2,5 4 6
0,1 0,00015 0,00025 0,0004 0,000625 0,001 0,0015
0,25 0,000375 0,000625 0,001 0,001563 0,0025 0,00375
0,6 0,0009 0,0015 0,0024 0,00375 0,006 0,009
1 0,0015 0,0025 0,004 0,00625 0,01 0,015
1,6 0,0024 0,004 0,0064 0,01 0,016 0,024
2,5 0,00375 0,00625 0,01 0,015625 0,025 0,0375
4 0,006 0,01 0,016 0,025 0,04 0,06
47
Anexo III – Distribuição t de Student
Graus de Liberdade
Efetivos
k(95,45%) Graus de Liberdade
Efetivos
k(95,45%)
1 13,97 26 2,10
2 4,53 27 2,10
3 3,31 28 2,09
4 2,87 29 2,09
5 2,65 30 2,09
6 2,52 31 2,08
7 2,43 32 2,08
8 2,37 33 2,08
9 2,32 34 2,08
10 2,28 35 2,07
11 2,25 36 2,07
12 2,23 37 2,07
13 2,21 38 2,07
14 2,20 39 2,07
15 2,18 40 2,06
16 2,17 41 2,06
17 2,16 42 2,06
18 2,15 43 2,06
19 2,14 44 2,06
20 2,13 45 2,06
21 2,13 46 2,06
22 2,12 47 2,05
23 2,11 48 2,05
24 2,11 49 2,05
25 2,11 50 2,00
Infinito (> 50) 2,00
48
Anexo IV – Imagens previamente gravadas utilizadas
no teste efetuado em 2014-04-12